Краят на недостига на прясна вода? Как с помощта на слънцето превръщат морската вода в питейна и едновременно с това извличат литий

Осигуряването на населението с чиста питейна вода остава една от основните задачи на световната икономика и екологията. Според данни на Организацията на обединените нации над два милиарда души по света нямат постоянен достъп до безопасни източници на вода. Сухите региони на Северна Африка, Близкия изток, Австралия и югозападната част на Съединените щати все повече зависят от обезсоляването на морска вода. Само че прилаганите днес промишлени методи изискват огромни разходи на енергия и създават опасни отпадъци, които нанасят пряка вреда на морската среда.

Група физици и инженери от Института по оптика към Университета в Рочестър, ръководена от професор Чунлей Го, разработи система за обезсоляване на базата на слънчева енергия, която преодолява основните недостатъци на съвременните инсталации. Методът, подробно описан в научното списание Light: Science & Applications, позволява изпаряването на морска вода без образуване на течни токсични отпадъци. Той не изисква предварителна химическа пречистване и дава възможност едновременно с това да се извличат ценни метали от морската сол, на първо място литий.

Ограниченията на съвременните методи за обезсоляване Полеви прототип на обезсоляващо устройство, свободна интерпретация

В момента в света се използват две основни технологии за обезсоляване: мембранна обратна осмоза и термична дестилация.

При обратната осмоза морската вода се прокарва под високо механично налягане през полимерни филтри – мембрани. Порите на тези мембрани са толкова малки, че пропускат само молекулите на водата, като задържат молекулите на солта и чуждите примеси. За да се прокара течността през такъв филтър, са необходими мощни помпи, създаващи налягане до седемдесет атмосфери. Това е свързано с висок разход на електроенергия. Освен това, преди подаването към мембраните водата трябва да се обработва с химически реагенти, за да се предотврати развитието на бактерии и отлагането на минерали вътре в оборудването.

Термичната дестилация се основава на простия принцип на нагряване. Водата се довежда до кипене или интензивно изпаряване чрез изгаряне на изкопаеми горива или промишлена топлина, след което получената пара се събира и се охлажда до течно състояние. Този процес също изисква значително количество гориво или електроенергия.

Проблемът

Основният проблем и при двете технологии се състои в това, което се случва със солите след отделянето на чистата вода. Те не изчезват, а остават в частта от водата, която не е преминала през филтрите или не е успяла да се изпари. В резултат на това се образува така наречената концентрирана солена вода. За всеки литър получена прясна вода съвременните заводи произвеждат от един до един и половина литра концентрирана солена вода. В този разтвор концентрацията на сол надвишава океанската норма приблизително два пъти. Освен това в него се съдържат остатъци от химични вещества, които са били използвани за промиване на тръбите и филтрите.

Броят на инсталациите за обезсоляване нараства — както и количеството на техните солени химически отпадъци

Опреснителните станции изпускат този концентрат обратно в морето. Солената вода има висока плътност, поради което не се смесва веднага с околните водни слоеве. Тежката солена маса потъва към морското дъно и се разстила по него. В такъв плътен придънен слой съдържанието на разтворен кислород рязко спада. Това води до загиване на дънната растителност, мекотелите, ракообразните и рибите, като разрушава екосистемата на много километри около мястото на изпускане.

Пречките пред изпаряването под въздействието на слънчевата енергия

Използването на слънчевата енергия за обезсоляване изглежда като логичен изход от ситуацията. Слънчевата светлина е безплатна и не генерира емисии на въглероден диоксид. Само че инженерите десетилетия наред не успяваха да създадат трайни и производителни слънчеви изпарители поради един основен проблем, а именно бързото образуване на твърда солена утайка върху работните повърхности.

В лабораторни условия учените дълго време тестваха прототипи на обезсолители с изкуствени солеви разтвори, състоящи се само от дестилирана вода и чист натриев хлорид. При изпаряването на такъв състав се образуват зърнести и порести кристали на готварска сол.

Водата може да прониква през порите на тази утайка, като постепенно го разтваря, поради което лабораторните инсталации се почистваха сравнително лесно.

Истинската морска вода има сложен химичен състав. Освен натрий и хлор, в нея са разтворени в големи количества магнезий, калций, калий, сулфати и карбонати. При нагряване и изпаряване тези съединения не образуват порести структури. Те се утаяват под формата на плътни, монолитни минерални кори, които нямат пори.

Защо обикновените обезсолители се повреждат в океана. В изкуствен солен разтвор кристалите на готварската сол (NaCl) образуват пореста структура, която пропуска вода. В истинската морска вода съединенията на калция и магнезия запечатват тези пори в монолитна кора. В долната част е показана концепцията на панела от Рочестър, който разделя зоните на изпаряване и отстраняване на минералите

Този слой се залепва здраво за нагряващата плоча. Той изпълнява ролята на топлоизолатор, като блокира преминаването на топлина от нагревателя към водата, и механично препятства движението на нова течност. В резултат на това производителността на изпарителя спада практически до нула само след няколко часа непрекъсната работа. За да се възстанови работоспособността на инсталацията, се налага ръчно механично почистване или промиване с концентрирани киселини, което обезсмисля цялата икономическа и екологична полза от използването на слънчевата енергия.

Обработката на метала с фемтосекунден лазер

Екипът на професор Чунлей Го предложи за изпаряването да се използва метален лист, чиято повърхност е модифицирана с помощта на фемтосекунден лазер.

Металообработка с фемтосекундни лазери

Фемтосекундата представлява една квадрилионна част от секундата (10^−15 секунди). Поради изключително кратката продължителност на импулса лазерът предава енергия на материала мигновено. Металът в точката на въздействието не успява да се разтопи и да потече, както се случва при обикновеното заваряване или рязане. Вместо това повърхностният слой на материала мигновено се изпарява, образувайки върху метала сложен микроскопичен релеф. Това са успоредни бразди и наноструктури с точно зададена дълбочина и форма.

Тази микроструктурирана повърхност придобива две критично важни физични свойства Пълно поглъщане на слънчевото излъчване. Обикновеният полиран метал отразява по-голямата част от падащата върху него светлина. След лазерна обработка повърхността придобива наситено черен цвят. Микроскопичните неравности задържат падащите фотони на светлината благодарение на многократно вътрешно отражение. Металът поглъща практически целия диапазон на слънчевия спектър и ефективно преобразува светлинната енергия в топлина. Супер омокряемост. На обикновена метална пластина водата се събира в отделните изпъкнали капки поради силите на повърхностното напрежение. На лазерно обработената повърхност силите на сцепление на водните молекули с метала се оказват по-силни от силите на сцепление на водните молекули помежду си. В резултат на това течността мигновено се всмуква в микроканалите и спонтанно се разлива по цялата площ като тънък слой, чиято дебелина не надвишава части от милиметъра.

Ефектът на супер омокряемостта има решаващо значение за скоростта на обезсоляването. За да се нагрее и изпари голям обем вода в съда, е необходимо продължително време и постоянен приток на топлина. Тънкият воден слой, разпределен върху горещия черен метал, се нагрява по цялата си дебелина за части от секундата и преминава в състояние на пара с минимални топлинни загуби.

Микроструктурата на черния метал. Снимките под електронен микроскоп показват сложна нанотекстура, създадена с фемтосекундния лазер. Вдясно горе: спектър на оптичното поглъщане (металът поглъща практически цялото слънчево излъчване). Долу: серия от кадри, демонстриращи ефекта на супер омокряемостта, тоест водният слой самостоятелно се издига по вертикалната пластина със скорост до 8 cm/s. Пълната липса на течни отпадъци и добив на литий

Основната разлика между новата технология и обратната осмоза е, че системата напълно изключва образуването на течен разтвор. Тя работи по принципа на нулево изпускане на течности (Zero Liquid Discharge): на изхода се получава чиста дестилирана вода и суха смес от морска сол.

Сухата утайка не се налага да се изхвърля в океана. Тя престава да бъде екологично опасен отпадък и се превръща в източник на суровина. Обикновеният натриев хлорид може да се използва в пътното стопанство, химическата промишленост или, след пречистване, да се използва за храна. Но най-голяма практическа стойност имат редките елементи, разтворени в морската вода, сред които ключова роля играе литият.

Литият е необходим за производството на литиево-йонни батерии, използвани в смартфоните, лаптопите, системите за съхранение на енергия и електромобилите. Традиционният добив на този метал е свързан с тежки екологични последствия. При добива на литий от скални породи е необходимо рудата да се раздроби и да се обработи с концентрирани киселини при високи температури. Добивът на литий от солените езера в Южна Америка се основава на бавното изпаряване на подземните води в гигантски открити басейни: този процес отнема до година и половина и води до изчерпване на местните подземни води в засушените региони.

Част от технологичния продес: самоочистването на работната повърхност в действие. Микроснимаките (a, c) показват как, с изпаряването на водата, растящите минерални кристали се изместват към границите на капката. Морската вода

Морската вода съдържа трилиони тона разтворен литий, но концентрацията му е изключително ниска в сравнение с тази на натрия, калия и магнезия. Извличането му чрез традиционни химични методи е икономически нецелесъобразно.

В отделна работа, публикувана в списанието „Journal of Materials Chemistry A“, екипът на Чунлей Го показа, че техният слънчев панел може да бъде адаптиран за едновременно извличане на литий. За тази цел микроканалите по повърхността на черния метал бяха допълнително запълнени с наночастици от водороден титанат.

Кристалната решетка на водородния титанат е устроена по такъв начин, че е способна да задържа в себе си литиевите йони, като пропуска натриевите, магнезиевите и калциевите йони. Наночастиците изпълняват функцията на селективен филтър. По време на процеса на обезсоляване водата се движи по микроканалите, водородният титанат улавя лития, а останалите минерали, както и преди, се изтласкват от хидродинамичните течения в пасивната зона на пластината.

След приключване на работния цикъл натрупаният литий се измива от наночастиците със слаб киселинен разтвор за повторна употреба на сорбента. В хода на експерименти с естествена вода от Голямото солено езеро в щата Юта изследователите успяха да извлекат около петдесет процента от целия литий, съдържащ се в първоначалния обем вода, непосредствено по време на процеса на нейното обезсоляване.

Полноценен прототип на слънчев обезсолител. Металната пластина е монтирана вътре в прозрачен купол-кондензатор, ориентиран към слънцето. Графиките показват стабилно производство на прясна вода и събиране на сух солен остатък при тестване на проби от Атлантическия, Тихия и Индийския океан Значение на разработката

Разработката на учените от Университета в Рочестър предлага принципно различен подход към преработката на морска вода. Вместо да се изразходват мегавати електроенергия за прокарване на водата през филтри и да се изхвърлят в морето милиони тона опасни отпадъци, системата използва естествените закони на физиката на повърхността, хидродинамиката на изпарението и прякото слънчево нагряване.

Технологията решава едновременно три независими инженерни задачи:

Производство на прясна вода без използване на електрически мрежи и химически реагенти. Пълно преустановяване на изхвърлянето на токсичен течен разтвор в крайбрежните морски зони. Получаване на суха минерална суровина и извличане на дефицитния литий директно в точката на обезсоляване.

Ако проблемът с мащабирането бъде решен, подобни инсталации ще могат да осигуряват прясна вода на отдалечените крайбрежни населени места, острови и бедни на вода региони, като едновременно с това ще намалят зависимостта на световната промишленост от традиционните методи за добив на суровини за акумулаторни батерии.